KR20160119266A - 휴대용 전자 장치를 위한 고전압 리튬-폴리머 배터리 - Google Patents

휴대용 전자 장치를 위한 고전압 리튬-폴리머 배터리 Download PDF

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홍리 다이
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Abstract

개시된 실시 형태는 리튬-폴리머 배터리 셀을 제공한다. 리튬-폴리머 배터리 셀은 애노드, 및 도핑제로 도핑된 리튬 코발트 산화물 입자를 포함하는 캐소드를 포함한다. 리튬-폴리머 배터리 셀은 또한 애노드와 캐소드를 봉입하는 가요성 파우치를 포함한다. 캐소드는 리튬-폴리머 배터리 셀의 충전 전압이 4.25 V 초과가 되게 할 수 있다.

Description

휴대용 전자 장치를 위한 고전압 리튬-폴리머 배터리{HIGH-VOLTAGE LITHIUM-POLYMER BATTERIES FOR PORTABLE ELECTRONIC DEVICES}
본 발명의 실시 형태는 휴대용 전자 장치를 위한 배터리에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명의 실시 형태는 휴대용 전자 장치를 위한 고전압 리튬-폴리머 배터리의 설계 및 제조에 관한 것이다.
충전식 배터리가 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 휴대 전화, 개인용 휴대 단말기(PDA), 휴대용 미디어 플레이어 및/또는 디지털 카메라를 포함하는 매우 다양한 휴대용 전자 장치에 전력을 공급하는 데 현재 사용된다. 가장 일반적으로 이용되는 유형의 충전식 배터리는 리튬 배터리인데, 이는 리튬-이온 배터리 또는 리튬-폴리머 배터리를 포함할 수 있다.
리튬-폴리머 배터리는 가요성 파우치(pouch) 내에 패키징된 셀을 종종 포함한다. 그러한 파우치는 전형적으로 경량이며 제조하기에 저렴하다. 더욱이, 이러한 파우치는 다양한 셀 치수에 맞춰질 수 있어서, 리튬-폴리머 배터리가 휴대 전화, 랩톱 컴퓨터 및/또는 디지털 카메라와 같은 공간-제약된 휴대용 전자 장치에 사용될 수 있게 한다. 예를 들어, 리튬-폴리머 배터리 셀은 알루미늄 박막 처리된 파우치(aluminized laminated pouch) 내에 압연된 전극 및 전해질을 봉입함으로써 90 내지 95%의 패키징 효율(packaging efficiency)을 달성할 수 있다. 이어서, 다수의 파우치가 휴대용 전자 장치 내에 나란히 배치되고, 직렬로 및/또는 병렬로 전기적으로 결합(electrically couple)되어 휴대용 전자 장치를 위한 배터리를 형성할 수 있다.
작동 동안, 리튬-폴리머 배터리의 용량은 내부 임피던스의 증가, 전극 및/또는 전해질 열화(degradation), 과도한 열 및/또는 비정상적인 사용으로 인해 시간 경과에 따라 감소할 수 있다. 예를 들어, 반복되는 충전-방전 사이클 및/또는 노화에 의해 배터리 내의 전해질의 산화 및/또는 캐소드 및 애노드 물질의 열화가 야기될 수 있으며, 이는 결국 배터리의 용량의 점진적인 감소를 야기할 수 있다. 배터리가 계속 노화되고 열화됨에 따라, 특히 배터리가 높은 충전 전압에서 계속하여 충전되고/되거나 고온에서 작동되는 경우에, 용량 감소 속도가 증가할 수도 있다.
시간 경과에 따른 리튬-폴리머 배터리의 계속적인 사용은 또한 배터리의 비-강성 셀(non-rigid cell)이 팽창하게 하여 결국에는 배터리가 휴대용 전자 장치의 지정된 최대 물리적 치수를 초과하게 한다. 더욱이, 통상적인 배터리-모니터링 메커니즘은 배터리의 팽창을 관리하는 기능을 포함하지 않을 수도 있다. 그 결과, 장치의 사용자는 배터리의 팽창이 장치에 대한 물리적 손상으로 이어질 때까지 배터리의 팽창 및/또는 열화를 알아채지 못할 수 있다.
그러므로, 휴대용 전자 장치를 위한 고전압 리튬-폴리머 배터리에서 팽창을 최소화하고 용량 유지율을 개선하기 위한 메커니즘이 필요하다.
개시된 실시 형태는 리튬-폴리머 배터리 셀을 제공한다. 리튬-폴리머 배터리 셀은 애노드, 및 도핑제(doping agent)로 도핑된 리튬 코발트 산화물 입자를 포함하는 캐소드를 포함한다. 리튬-폴리머 배터리 셀은 또한 애노드와 캐소드를 봉입하는 가요성 파우치를 포함한다. 캐소드는 리튬-폴리머 배터리 셀의 충전 전압이 4.25 V 초과가 되게 할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 도핑제는 마그네슘, 티타늄, 아연, 규소, 알루미늄, 지르코늄, 바나듐, 망간, 또는 니오븀의 원소 또는 화합물을 포함한다. 이 화합물은 산화물, 인산염 및/또는 플루오르화물에 상당할 수 있다. 캐소드 중의 도핑제와 보호용 화학제(protection chemical)의 합계 함량(combined content)은, 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS) 기술과 같은 기술을 사용하여 0.02% 초과 0.8% 미만일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 리튬 코발트 산화물 입자는 중위 입자 크기(median particle size; D50)가 5 마이크로미터 내지 25 마이크로미터이다.
일부 실시 형태에서, 리튬 코발트 산화물 입자는 보호용 화학제로 추가로 코팅된다.
일부 실시 형태에서, 보호용 화학제는 두께가 약 200 나노미터이다. 보호용 화학제는 또한 산화물, 인산염 및 플루오르화물을 포함할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 배터리 셀은 또한 전해질 첨가제를 함유하는 전해질을 포함한다. 전해질 첨가제는 에틸렌 카르보네이트, 비닐 아세테이트, 비닐 에틸렌 카르보네이트, 티오펜, 1,3-프로판 설톤, 석신산 무수물 및 다이니트릴 첨가제를 포함할 수 있다. 다이니트릴 첨가제는 말로노니트릴, 석시노니트릴, 글루타로니트릴, 아디포니트릴 및/또는 프탈로니트릴일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 다이니트릴 첨가제의 함량은 전해질의 5 중량% 미만이다.
일부 실시 형태에서, 셀 중의 물 함량은 200 ppm (parts per million) 미만, 바람직하게는 20 ppm 미만이다.
일부 실시 형태에서, 파우치는 두께가 120 마이크로미터 미만이다.
다양한 실시 형태들에 대한 전술한 설명은 단지 예시 및 설명을 위해서만 제공되었다. 이는 본 발명을 총망라하고자 하거나 또는 개시된 형태로 제한하고자 하는 것은 아니다. 따라서, 다수의 변경 및 변형이 당업자에게 명백할 것이다. 추가로, 상기한 개시 내용은 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
<도 1>
도 1은 개시된 실시 형태에 따른 배터리 셀의 평면도(top-down view)를 나타낸다.
<도 2>
도 2는 개시된 실시 형태에 따른 배터리 셀을 위한 한 세트의 층을 나타낸다.
<도 3>
도 3은 개시된 실시 형태에 따른 배터리 셀의 캐소드를 위한 리튬 코발트 산화물 입자를 나타낸다.
<도 4>
도 4는 개시된 실시 형태에 따른 배터리 셀을 제조하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
<도 5>
도 5는 개시된 실시 형태에 따른 휴대용 전자 장치를 나타낸다.
상기 도면들에서, 유사한 참조 번호는 동일한 도면 요소를 지시한다.
하기 설명은 당업자가 실시 형태들을 실시하고 이용할 수 있도록 제공되며, 특정 응용 및 그의 요건의 맥락에서 제공된다. 개시된 실시 형태에 대한 다양한 변경이 당업자들에게 용이하게 명백해질 것이며, 본 명세서에서 설명된 일반 원리는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 다른 실시 형태 및 응용에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 나타낸 실시 형태로 한정되는 것이 아니라, 본 명세서에서 개시된 원리 및 특징에 부합되는 가장 넓은 범주로 허용되어야 한다.
이러한 상세한 설명에서 기술된 데이터 구조 및 코드는 전형적으로 컴퓨터 판독가능한 저장 매체에 저장되며, 이는 컴퓨터 시스템에 의해 사용하기 위한 코드 및/또는 데이터를 저장할 수 있는 임의의 장치 또는 매체일 수 있다. 컴퓨터 판독가능한 저장 매체는 휘발성 메모리; 비휘발성 메모리; 디스크 드라이브, 자기 테이프, CD (컴팩트 디스크), DVD (디지털 다목적 디스크 또는 디지털 비디오 디스크)와 같은 자기 및 광학 저장 장치, 또는 현재 알려져 있거나 향후 개발될 다른 코드 및/또는 데이터 저장가능 매체를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
상세한 설명 부분에서 기술되는 방법 및 프로세스는 전술한 바와 같은 컴퓨터 판독가능한 저장 매체에 저장될 수 있는 코드 및/또는 데이터로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 시스템이 컴퓨터 판독가능한 저장 매체에 저장된 코드 및/또는 데이터를 판독하고 실행할 때, 컴퓨터 시스템은 데이터 구조 및 코드로서 구현되어 컴퓨터 판독가능한 저장 매체 내에 저장된 방법 및 프로세스를 수행한다.
더욱이, 본 명세서에서 기술되는 방법 및 프로세스는 하드웨어 모듈 또는 장치 내에 포함될 수 있다. 이러한 모듈 또는 장치는 주문형 집적 회로(application-specific integrated circuit; ASIC) 칩, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field-programmable gate array; FPGA), 특정 시간에 특정 소프트웨어 모듈 또는 코드의 일부분을 실행하는 전용 또는 공유 프로세서 및/또는 현재 알려져 있거나 향후 개발될 다른 프로그래머블 논리 장치를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 하드웨어 모듈 또는 장치가 작동될 때, 그들은 그들 내에 포함된 방법 및 프로세스를 수행한다.
개시된 실시 형태는 리튬-폴리머 배터리 셀의 설계 및 제조에 관한 것이다. 배터리 셀은 캐소드, 분리막(separator) 및 애노드를 포함하는 한 세트의 층을 포함할 수 있다. 층들은 젤리 롤(jelly roll)을 생성하도록 감겨지고 가요성 파우치에서 밀봉되어 배터리 셀을 형성할 수 있다.
더 구체적으로, 개시된 실시 형태는 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 휴대 전화, 휴대용 미디어 플레이어 및/또는 디지털 카메라와 같은 휴대용 전자 장치를 위한 고전압 리튬-폴리머 배터리 셀의 설계 및 제조에 관한 것이다. 고전압 리튬-폴리머 배터리 셀은 충전 전압이 4.25 V 초과일 수 있다.
증가된 충전 전압과 연관된 팽창 및 용량 손실을 방지하기 위하여, 고전압 리튬-폴리머 배터리 셀의 캐소드는 리튬 코발트 산화물 입자를 포함할 수 있는데, 이는 입자의 결정질 구조를 안정화하도록 도핑제로 도핑되어 있다. 도핑제는 마그네슘, 티타늄, 아연, 규소, 알루미늄, 지르코늄, 바나듐, 망간 및/또는 니오븀의 원소 및/또는 화합물을 포함할 수 있다. 리튬 코발트 산화물 입자는 또한 산화물, 플루오르화물 및/또는 인산염과 같은 보호용 화학제로 코팅될 수 있다. 캐소드 중의 도핑제 및/또는 보호용 화학제의 합계 함량은, 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS) 기술과 같은 기술을 사용하여 0.02% 내지 0.8%일 수 있다. 리튬 코발트 산화물 입자는 중위 입자 크기(D50)가 5 마이크로미터 내지 25 마이크로미터일 수 있으며, 보호용 화학제의 코팅은 두께가 약 200 나노미터일 수 있다.
더 높은 충전 전압과 연관된 팽창 및/또는 열화를 추가로 상쇄하기 위하여, 고전압 리튬-폴리머 배터리 셀의 전해질은 전해질 첨가제, 예를 들어, 에틸렌 카르보네이트, 비닐 아세테이트, 비닐 에틸렌 카르보네이트, 티오펜, 1,3-프로판 설톤, 석신산 무수물 및/또는 다이니트릴 첨가제 (예를 들어, 말로니트릴, 석시노니트릴, 글루타로니트릴, 아디포니트릴, 프탈로니트릴 등)를 함유할 수 있다. 전해질의 다이니트릴 함량은 전해질의 5 중량% 미만일 수 있다. 더욱이, 셀 중의 물 함량은 200 ppm 미만, 바람직하게는 20 ppm 미만일 수 있다. 고전압 리튬-폴리머 배터리 셀 내의 캐소드 물질과 전해질 물질의 조합은, 배터리 셀이 고온에서 작동되고/되거나 보관되더라도, 더 높은 충전 전압에서의 배터리 셀의 팽창 및 용량 손실의 속도를 감소시킬 수 있다.
도 1은 일 실시 형태에 따른 배터리 셀(100)의 평면도를 나타낸다. 배터리 셀(100)은 휴대용 전자 장치에 전력을 공급하는 데 사용되는 리튬-폴리머 배터리 셀에 상당할 수 있다. 배터리 셀(100)은, 활성 코팅을 갖는 캐소드, 분리막, 및 활성 코팅을 갖는 애노드를 비롯하여 함께 감겨진 다수의 층을 포함하는 젤리 롤(102)을 포함한다. 더 구체적으로, 젤리 롤(102)은 분리막 물질(예를 들어, 전도성 중합체 전해질)의 하나의 스트립에 의해 분리된 캐소드 물질(예를 들어, 리튬 화합물로 코팅된 알루미늄 포일)의 하나의 스트립 및 애노드 물질(예를 들어, 탄소로 코팅된 구리 포일)의 하나의 스트립을 포함할 수 있다. 이어서, 캐소드 층, 애노드 층 및 분리막 층이 권심(mandrel) 상에 감겨져서, 나선형으로 감겨진 구조를 형성할 수 있다. 젤리 롤은 본 기술 분야에 잘 알려져 있으며 추가로 설명하지 않을 것이다.
배터리 셀(100)의 조립 동안, 젤리 롤(102)은 가요성 파우치 내에 봉입되는데, 이는 절첩선(112)을 따라 가요성 시트를 접어서 형성된다. 예를 들어, 가요성 시트는 폴리프로필렌과 같은 중합체 필름과 함께 알루미늄으로 제조될 수 있다. 가요성 시트가 접힌 후에, 이 가요성 시트는, 예를 들어, 사이드 시일(side seal; 110)을 따라 그리고 테라스 시일(terrace seal; 108)을 따라 열을 가함으로써 밀봉될 수 있다. 배터리 셀(100)의 패키징 효율 및/또는 에너지 밀도를 개선하기 위해 가요성 파우치는 두께가 120 마이크로미터 미만일 수 있다.
젤리 롤(102)은 캐소드 및 애노드에 결합된 한 세트의 전도성 탭(106)을 또한 포함한다. 전도성 탭(106)은 (예를 들어, 밀봉 테이프(104)를 사용하여 형성된) 파우치 내의 시일을 통과해 연장하여 배터리 셀(100)을 위한 단자들을 제공할 수 있다. 이어서, 전도성 탭(106)은 배터리 셀(100)을 하나 이상의 다른 배터리 셀과 전기적으로 결합하여 배터리 팩(battery pack)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩은 배터리 셀들을 직렬 구조, 병렬 구조 또는 직렬-병렬 구조로 결합함으로써 형성될 수 있다. 결합된 셀들은 하드 케이스 내에 봉입되어 배터리 팩을 완성할 수 있거나, 또는 결합된 셀들은 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 휴대 전화, 개인용 휴대 단말기(PDA), 디지털 카메라 및/또는 휴대용 미디어 플레이어와 같은 휴대용 전자 장치의 외피(enclosure) 내에 매립될 수 있다.
당업자는 배터리 용량의 감소가 노화, 사용, 결함, 열 및/또는 손상과 같은 요인들로부터 기인한 것일 수 있음을 이해할 것이다. 게다가, 소정 임계치를 넘어서는 배터리 용량 감소(예를 들어, 초기 용량의 80% 미만)는 휴대용 전자 장치를 손상시키거나 또는 뒤틀리게 하는 배터리 팽창에 수반될 수 있다.
특히, 배터리 셀(100)의 충전 및 방전은 전해질과 캐소드 물질의 반응을 야기할 수 있으며, 이는 전해질의 산화 및/또는 캐소드 물질의 열화로 이어질 수 있다. 이 반응은 배터리 셀(100)의 용량을 감소시키는 것과 캐소드의 확대 및/또는 배터리 셀(100) 내부의 가스 증가(gas buildup)를 통해 팽창을 야기하는 것 둘 모두를 가능하게 할 수 있다. 더욱이, 배터리 셀(100)이 더 높은 온도에서 작동되고/되거나 높은 충전 전압에서 계속하여 충전되는 경우에 이 반응이 가속화될 수 있다. 예를 들어, 25℃에서 작동되고/되거나 4.2 V에서 충전되는 리튬-폴리머 배터리 셀(100)은 1050회의 충전-방전 사이클 후에 초기 용량의 80%에 도달할 수 있으며 두께가 8%만큼 증가할 수 있다. 그러나, 동일한 배터리 셀(100)을 45℃에서 및/또는 4.3 V의 충전 전압에서 사용하게 되면, 1050회의 충전-방전 사이클 후에 그 용량이 초기 용량의 70%로 감소될 수 있으며 팽창은 10%까지 증가될 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에서, 배터리 셀(100)은 충전 전압이 4.25 V 초과인 고전압 리튬-폴리머 배터리 셀에 상당하게 된다. 게다가, 배터리 셀(100)의 캐소드 물질 및 분리막(예를 들어, 전해질) 물질은 더 높은 충전 전압에서의 배터리 셀(100)의 팽창 및 용량 손실을 최소화하도록 선택될 수 있으며, 고온에서의 배터리 셀(100)의 작동 및/또는 보관을 추가로 가능하게 할 수 있다. 배터리 셀(100)의 물질들은 하기에 더욱 상세하게 논의한다.
도 2는 개시된 실시 형태에 따른 배터리 셀(예를 들어, 도 1의 배터리 셀(100))에 대한 한 세트의 층을 나타낸다. 이 층들은 캐소드 집전기(202), 캐소드 활성 코팅(204), 분리막(206), 애노드 활성 코팅(208) 및 애노드 집전기(210)를 포함할 수 있다. 캐소드 집전기(202) 및 캐소드 활성 코팅(204)은 배터리 셀을 위한 캐소드를 형성할 수 있으며, 애노드 집전기(210) 및 애노드 활성 코팅(208)은 배터리 셀을 위한 애노드를 형성할 수 있다. 층들은 감겨져서 배터리 셀을 위한 젤리 롤, 예를 들어, 도 1의 젤리 롤(102)을 생성할 수 있다.
상기에 언급된 바와 같이, 캐소드 집전기(202)는 알루미늄 포일일 수 있으며, 캐소드 활성 코팅(204)은 리튬 화합물일 수 있고, 애노드 집전기(210)는 구리 포일일 수 있으며, 애노드 활성 코팅(208)은 탄소일 수 있고, 분리막(206)은 전도성 중합체 전해질을 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 캐소드 활성 코팅(204)은 보호용 화학제로 코팅된 리튬 코발트 산화물 입자를 포함할 수 있다. 보호용 화학제는 배터리 셀의 충전 및/또는 방전 동안 분리막(206) 내의 전해질과 캐소드 활성 코팅(204)의 반응에 의해 야기되는 팽창 및/또는 용량 손실을 완화시킬 수 있다. 리튬 코발트 산화물 입자는 입자의 결정질 구조를 안정화하도록 도핑제로 추가로 도핑될 수 있다. 보호용 화학제 및/또는 도핑제는 마그네슘, 티타늄, 아연, 규소, 알루미늄, 지르코늄, 바나듐, 망간 및/또는 니오븀의 원소 및/또는 화합물을 포함할 수 있다. 화합물은 산화물, 플루오르화물 및/또는 인산염에 상당할 수 있다. 리튬-폴리머 배터리 셀의 캐소드에 사용하기 위한 리튬 코발트 산화물 입자는 도 3과 관련하여 하기에 더욱 상세하게 논의된다.
분리막(206) 내의 전해질은 에틸렌 카르보네이트, 비닐 아세테이트, 비닐 에틸렌 카르보네이트, 티오펜, 1,3-프로판 설톤 및/또는 석신산 무수물과 같은 전해질 첨가제를 함유할 수 있다. 배터리 셀의 충전 및/또는 방전과 연관된 열화를 추가로 상쇄하기 위하여, 전해질은 배터리 셀의 온도 안정성을 증가시키는 다이니트릴 첨가제(예를 들어, 말로니트릴, 석시노니트릴, 글루타로니트릴, 아디포니트릴, 프탈로니트릴 등)를 또한 함유할 수 있다. 예를 들어, 5 중량% 미만의 다이니트릴 첨가제를 전해질 중에 포함하고 200 ppm 미만 (예를 들어, 바람직하게는 20 ppm 미만)의 물을 배터리 셀 중에 포함하면, 배터리 셀이 고온(예를 들어, 45℃)에서 작동되고/되거나 고온(예를 들어, 65℃ 내지 85℃)에서 보관되더라도 배터리 셀의 팽창 및/또는 용량 손실을 허용가능한 범위 이내로 유지할 수 있다.
따라서, 이러한 배터리 셀의 층의 물질은 통상적인 리튬-폴리머 배터리 셀보다 더 높은 충전 전압에서 배터리 셀이 안전하게 작동되게 할 수 있다. 예를 들어, 캐소드 중의 코팅되고/되거나 도핑된 리튬 코발트 산화물 입자, 전해질 중의 다이니트릴 첨가제 및/또는 셀 중의 물 함량의 조합은, 100% 충전 상태(state-of-charge)에서 500시간 동안 60℃ 및/또는 100% 충전 상태에서 6시간 동안 85℃의 보관 조건 하에서 배터리 셀의 팽창을 10% 미만으로 유지할 수 있다. 동일한 배터리 셀은 25℃에서 1000회 충전-방전 사이클 후에 80% 초과의 용량 유지율 및 10% 미만의 팽창을 포함할 수 있다.
도 3은 개시된 실시 형태에 따른 배터리 셀의 캐소드를 위한 리튬 코발트 산화물 입자(302)를 나타낸다. 리튬 코발트 산화물 입자(302)는 D50이 5 마이크로미터 내지 25 마이크로미터일 수 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 리튬 코발트 산화물 입자(302)는 도핑제(306)로 도핑될 수 있다. 도핑제(306)는 배터리 셀의 충전 및/또는 방전 동안 리튬 코발트 산화물 입자(302)의 결정질 구조를 안정화시킬 수 있다.
리튬 코발트 산화물 입자(302)는 또한 (예를 들어, 용액상 반응, 고체상 코팅, 기계적 분쇄(mechanical grinding) 등을 사용하여) 보호용 화학제(304)로 코팅될 수 있다. 보호용 화학제(304)는 두께가 약 200 나노미터일수 있으며, 배터리 셀의 충전 및/또는 방전 동안 리튬 코발트 산화물 입자(302)가 전해질과 반응하는 속도를 감소시킬 수 있다.
도핑제(306) 및/또는 보호용 화학제(304)는 마그네슘, 티타늄, 아연, 규소, 알루미늄, 지르코늄, 바나듐, 망간 및/또는 니오븀의 원소 및/또는 화합물을 포함할 수 있다. 화합물은 산화물, 금속 플루오르화물 및/또는 금속 인산염에 상당할 수 있다. 또한, 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS)과 같은 측정 기술에 의해 측정할 때, 리튬 코발트 산화물 입자(302) 중의 도핑제(306)와 보호용 화학제(304)의 합계 함량은 0.02% 초과이지만 0.8% 미만일 수 있다.
리튬 코발트 산화물 입자(302) 중에 보호용 화학제(304) 및/또는 도핑제(306)를 포함하게 되면, 배터리 셀의 더 높은 충전 전압과 연관된 팽창 및/또는 용량 손실의 증가를 상쇄함으로써 고전압 리튬-폴리머 배터리 셀의 캐소드에 리튬 코발트 산화물 입자(302)를 사용하는 것을 용이하게 할 수 있다. 추가로, 보호용 화학제(304) 및/또는 도핑제(306)는, 다른 유형의 캐소드 활물질, 예를 들어, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물 및/또는 리튬 니켈 알루미늄 산화물에서는 동일한 배터리 성능 이점을 제공하지 않을 수 있다. 다시 말해, 보호용 화학제(예를 들어, 보호용 화학제(304))로 코팅되고/되거나 도핑제(예를 들어, 도핑제(306))로 도핑된 리튬 코발트 산화물 입자(예를 들어, 리튬 코발트 산화물 입자(302))는 리튬-폴리머 배터리 셀의 높은 충전 전압과 연관된 팽창 및/또는 캐소드 열화에 대한 충분한 보호를 제공하는 유일한 유형의 캐소드 활물질일 수 있다.
도 4는 개시된 실시 형태에 따른 배터리 셀을 제조하는 방법을 예시하는 흐름도이다. 하나 이상의 실시 형태에서, 하나 이상의 단계가 생략되고/되거나, 반복되고/되거나 상이한 순서로 수행될 수 있다. 따라서, 도 4에 나타낸 단계들의 특정 배열이 실시 형태의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
처음에, 캐소드 및 애노드를 입수한다 (공정 402). 캐소드는 보호용 화학제로 코팅되고/되거나 도핑제로 도핑된 리튬 코발트 산화물 입자를 포함할 수 있다. 보호용 화학제 및/또는 도핑제는 마그네슘, 티타늄, 아연, 규소, 알루미늄, 지르코늄, 바나듐, 망간 및/또는 니오븀의 원소 및/또는 화합물을 포함할 수 있다. 화합물은 산화물, 금속 플루오르화물 및/또는 금속 인산염에 상당할 수 있다. 더욱이, 캐소드 중의 도핑제와 보호용 화학제의 합계 함량은 0.02% 초과이지만 0.8% 미만일 수 있다. 다음으로, 캐소드와 애노드를 파우치 안에 넣는다 (공정 404). 파우치는 알루미늄의 층과 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 중 어느 하나의 층을 포함할 수 있다. 또한, 파우치는 두께가 120 마이크로미터 미만일 수 있다.
이어서, 전해질 첨가제를 함유하는 전해질로 파우치를 채운다 (공정 406). 전해질 첨가제는 에틸렌 카르보네이트, 비닐 아세테이트, 비닐 에틸렌 카르보네이트, 티오펜, 1,3-프로판 설톤, 석신산 무수물 및/또는 다이니트릴 첨가제를 포함할 수 있다. 다이니트릴 첨가제는 말로노니트릴, 석시노니트릴, 글루타로니트릴, 아디포니트릴 및 프탈로니트릴에 상당할 수 있으며, 전해질의 5 중량% 미만을 구성할 수 있다. 또한, 셀 중의 물 함량은 200 ppm 미만(예를 들어, 바람직하게는 20 ppm 미만)일 수 있다. 마지막으로, 캐소드 및 애노드를 파우치에 밀봉하여 배터리 셀을 형성한다 (공정 408). 이어서, 4.25 V 초과의 충전 전압을 배터리 셀에 사용하여 배터리 셀로부터 휴대용 전자 장치로의 전력 공급을 용이하게 할 수 있다.
상기한 충전식 배터리 셀은 일반적으로 임의의 유형의 전자 장치에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 5는 프로세서(502), 메모리(504) 및 디스플레이(508) - 이들 모두는 배터리(506)에 의해 전력 공급됨 - 를 포함하는 휴대용 전자 장치(500)를 나타낸다. 휴대용 전자 장치(500)는 랩톱 컴퓨터, 휴대 전화, PDA, 태블릿 컴퓨터, 휴대용 미디어 플레이어, 디지털 카메라 및/또는 다른 유형의 배터리 전력 공급되는 전자 장치에 상당할 수 있다. 배터리(506)는 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩에 상당할 수 있다. 각각의 배터리 셀은 가요성 파우치에서 밀봉된 애노드 및 캐소드를 포함할 수 있다. 캐소드는 보호용 화학제로 코팅되고/되거나 도핑제로 도핑된 리튬 코발트 산화물 입자를 포함할 수 있다. 배터리 셀은 에틸렌 카르보네이트, 비닐 아세테이트, 비닐 에틸렌 카르보네이트, 티오펜, 1,3-프로판 설톤, 석신산 무수물 및/또는 다이니트릴 첨가제와 같은 전해질 첨가제를 함유하는 전해질을 또한 포함할 수 있다. 다이니트릴 첨가제는 말로노니트릴, 석시노니트릴, 글루타로니트릴, 아디포니트릴 및 프탈로니트릴을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 셀은 200 ppm 미만의 물을 포함할 수 있다.
다양한 실시 형태들에 대한 전술한 설명은 단지 예시 및 설명을 위해서만 제공되었다. 이는 본 발명을 총망라하고자 하거나 또는 개시된 형태로 제한하고자 하는 것은 아니다. 따라서, 다수의 변경 및 변형이 당업자에게 명백할 것이다. 추가로, 상기한 개시 내용은 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

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